Фотосинтез і біопродуктивність

Рослинні організми протягом мільярдів років утворювали на нашій планеті сучасну атмосферу й умови для розвитку наявних форм життя, в тому числі людини, забезпечивши її продуктами харчування, енергією та багатьма іншими необхідними для життя біологічними ресурсами. Завдяки фотосинтезові світлова енергія перетворюється на хімічну, яка запасається в біомасі.

Біомаса роспин — це суха маса живих надземних і підземних частин рос­лин, шо припадає на одиницю площі поверхні фунту.

Продукція — це біомаса або маса органічної речовини, що асимільована певним рослинним угрупованням або окремим видом на одиницю площі за одиницю часу. Продукцію поділяють на істинну первинну та чисту первинну.

Істинна первинна продукція — це загальна кількість асимільованої органічної речовини, разом із втратами на дихання.

Чиста первинна продукція — це частина органічної речовини (з вирахуванням втрат на дихання), доступна для використання живими організмами. Вважають, що середні значення продуктивності рослин на суші (в тому числі прісні водойми) становлять 669 г/м² за рік, тоді як у морях і океанах — 155 г/м² за рік. Загальна продуктивність суші становить 100,2 • 10⁹ т біомаси в рік, продуктивність моря — 55 • 10⁹ т, а планети в цілому — 155,2 • 10⁹ т біомаси в рік. Удосконалення мето­дик оцінки дало змогу уточнити наведені дані, й нині вважають, що загальна кількість біомаси планети становить 1797 • 10⁹ т біомаси в рік. Це відповідає 10¹⁵ кДж енергії. За розрахунками, глобальна чиста продуктивність фотосинтезу становить 78 х 10⁹ т вуглецю в рік, із яких 7 % безпосередньо та через тваринні організми використовується людиною як їжа, паливо, сировина. Нагромадження живої біомаси протягом року становить чисту продуктивність екосистеми. Найбільший внесок в істинну продукцію серед наземних фототрофів дають тропічні ліси — до 29 %. У цілому ж внесок лісів усіх типів досягає 68 %.

Хоча площа океанів у 2,5 раза більша за площу суші, первинна продукція океанів становить лише 1/2... 1/3 її продукції. Сумарна чиста первинна продукція, за розрахунками, еквівалентна 10... 13 % вмісту вуглецю в атмосфері. Встановлено, що час відновлення вуглецю атмосфери за рахунок біосфери становить 7... 10 років. Якщо ж урахувати дихання, фотодихання, то цей інтервал часу слід скоротити вдвічі, тобто до 3...5 років. Обмін вуглецю між атмосферою та поверхнею океанів також становить 7...8 років. Асиміляція С0₂ культурними рослинами визначає залежність людини від фотосинтезу, яка особливо чітко проявляється тоді, коли різко зростає невідповідність між виробництвом і ростом чисельності народонаселення.

Біомасу можна використовувати не лише як продукт харчування, а й як сировину для виробництва палива. Підраховано, що річна продукція фотосинтезу містить майже в 10 разів більше енергії, ніж її необхідно в даний час для задоволення потреб населення всієї планети. Для раціонального використання біомаси як джерела енергії потрібні значні наукові та технологічні розробки.

Отже, фотосинтез, зберігаючи роль первинного джерела продовольства та сировини, все більше використовуватиметься як джерело нових нетрадиційних видів палива — спирту, біогазу, фотоводню. Фотосинтез відбувається проти градієнта термодинамічного потенціалу та загального росту ентропії. Однак завдяки своїй досконалості він досить легко і з високою ефективністю відбувається за звичайних умов.

Характерною особливістю сучасних фітоценозів є їхній багатовидовий склад, який формувався в результаті дивергентної та адаптивної еволюції. Еволюція рослинних організмів, імовірно, відбувалася не шляхом створення небагатьох екологічно універсальних генотипів, а через формування різноманітних, часто вузькоспецифічних біо- та екоформ, які в різних комбінаціях створюють сучасні високопродуктивні фітоценози. Реалізуючи генетичні програми в онтогенетичних циклах, такі форми рослинних організмів здійснюють їх у різних інтервалах адаптивної фенотипової мінливості конкретного генотипу.

Для забезпечення високої продуктивності, фітоценози повинні мати оптимальні показники оптичної та дифузійної густини, пропускної здатності, певні розміри й кількість робочих одиниць фотосинтезуючих систем різних рівнів організації — від сумарної поверхні фото-синтезуючих організмів до хлоропластів, реакційних центрів й фотосистем.

Зважаючи на те, що максимальна енергетична ефективність фотосинтезу здійснюється при восьмиквантових витратах на молекулу С0₂, і враховуючи, що в процесах дихання у фітоценозах втрачається 40...60 % засвоєного С0₂ та енергії, встановлено потенціально можливі рівні органічної продуктивності фітоценозів з коефіцієнтом корисної дії для використовуваної ними енергії ФАР 4...6 %. Досягнення такого рівня продуктивності, особливо в агроценозах, і є кінцевою метою наукових розробок з агротехнології та робіт з охорони й використання природних фотосинтезуючих систем у межах численних міжнародних і національних програм.

Потенціальні фотосинтетичні можливості посіву характеризує фотосинтетичний потенціал рослин, який являє собою суму щоденних показників площі листків його за весь чи певний його вегетаційний період.

Досить часто виникає потреба визначити інтенсивність роботи фотосинтетичного апарату, спрямовану на формування господарсько цінних органів, зокрема зерна чи коренеплодів. Тому розрізняють поняття біологічний урожай та господарський.

Біологічний урожай — це сума всіх добових приростів за вегетаційний період Отже, загальне нагромадження сухої маси рослин залежить від інтенсивності фотосинтезу, коефіцієнта ефективності, розміру листкової поверхні та суми днів вегетаційного періоду.

Господарський врожай становить лише певну частину біологічного, до того ж у різних культур коефіцієнт господарського викорис тання досить різний. Зокрема, у хлібних злаків найціннішим є зерно, у картоплі — бульби, у багатьох інших рослин — коренеплоди і т. д.

Отже, знаючи потенціальні можливості та закономірності роботи фотосинтезуючих систем усіх рівнів організації (від реакційних центрів і хлоропластів до фітоценозів) і узгоджуючи їх з іншими важливими функціями рослин (енергетика, ріст, морфогенез), можна створювати у виробничих умовах системи, які б функціонували з мінімально необхідними витратами субстратів та енергії. Зазначаючи важливу роль фотосинтезу в продукційному процесі, необхідно враховувати також його залежність від процесів росту і розвитку, дихання, водного режиму та мінерального живлення.

Дата добавления: 2014-01-15